SWMM简介及简单应用

SWMM简介及其简单应用

摘要 ：对目前应用较广泛的地表径流污染负荷估算模型的分析表明，雨洪管理

模型SWMM(Storm Water Management Model) 是最适合于城市地表径流及其污染负荷研究的模型。SWMM已在国内外城市地区暴雨洪水的地表径流过程、地表径流量和污染负荷量的估算与预测，以及对合流式和分流式下水道、排污管道和其他排水系统的规划、分析、设计方面获得了成功应用。[1]

关键词 ：SWMM 降雨重现期 排水管网

Abstract： Storm water management model (SWMM) is a model most suitable

for estimating surface runoff and its pollution load among the widely used models． SWMM has been successfully used in estimating and predicting surface runoff processes，surface runoff and pollution load during storm floods in urban areas，and planning，analyzing and designing combined and separate sewers，sewage pipes and other drainage systems．

Keyword ： SWMM Rainfall return period network of drains

排水管网作为城市不可缺少的重要基础设施，是城市排渍、排涝、防洪的重要工程。 城市暴雨洪水模拟是城市防洪减灾的关键技术之一， 基于城市地区的产、汇流特性构建特定的城市雨洪模型可以为解决城市防洪排涝、雨洪利用、面源污染研究等城市水文问题提供科学可靠的技术支持，从而减少损失，改善城市水环境，实现可持续健康发展。[2]本文运用城市雨洪模型（SWMM 模型）对建环大楼片区在设计暴雨条件下的排水能力进行了模拟分析。

SWMM模型简介

EPA（环境保护署）SWMM（暴雨洪水管理模型）是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水，径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟

踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量， 以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。SWMM 自 1971 年开发以来，已经在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水系统的规划、分析和设计，在其它非城市区域也有广泛的应用。[3]

SWMM模型原理

SWMM于1971 年由美国环保署开发，后来又经历了几次重大的完善和升级， 现最新版本为SWMM 5.0，主要包括水文、水力和水质模块。 1、水文模块

SWMM 的水文模块主要模拟地表径流的产流和汇流过程。其中，产流过程包括时变降雨、地表水蒸发、积雪及其融化、洼地存储等；汇流过程包括降雨入渗到非饱和土层、径流水渗透到地下水层、地下水与排水管道的水流交换、坡面汇流， 以及使降水和径流量减少或延缓的各种微影响过程。 2、水力模块

水力模块主要模拟径流和外部水流在管道、渠道、蓄水和处理单元、分水建筑物等中的流动，包括各种形状的封闭式管道和明渠管道中的水流，一些特殊部分(如蓄水和处理单元、分流阀、水泵、堰和排水孔口等) 的水流，外部水流和水质的输入，汇流，以及各种形式的水流(如回水、逆流和溢流等)。 3、水质模块

根据功能区或土地覆被类型可将同一排水小区划分为不同的水文响应单元，并据此定义各种地表污染物的累积模型和冲刷模型，以模拟地表径流中污染物的增长、冲刷、运输和处理过程。[5]

SWMM模型简单应用

研究区域模型的构建：

模型建模需要输入大量确定性参数和不确定性参数。在本研究中，确定性参数包括地表面积、地标坡度、相对海拔、子集水区宽度、出水口、雨量值等，不确定性包括曼宁粗糙系数、不透水区域比例、渗透参数等。

研究区域位于四川省成都市双流县四川大学江安校区建筑与环境学院大楼周边区域。面积为169222㎡，道路面积站34.46%，住宅区面积占23.6%，其他土地和绿地面积41.9%。

研究区域排水系统如图所示：

1、子汇水区域的划分

在使用 SWMM 进行模拟时，首先需要对模型的计算区域进行分块，即将整个汇水区划分成若干子汇水区，并对每个子汇水区进行概化。子汇水区域的合理确定， 能够使得模型的模拟结果更加契合实际情况。为了能更好的划分子汇水区域，并且在尽量简化模型输入数据而保证其模拟精度的前提下，结合卫星地图，在人工合并和调整下，最终完成子汇水区域的划分。在子汇水区域确定后，计算出每一子汇水区域的坡度、面积等 SWMM 模型所需要的参数为可靠和快速建立模型提供了保障。

2、参数计算

根据收集的建筑与环境学院大楼区域必要的数据源（高程数据、卫星图片、道路房屋数据、降雨量数据、日蒸发量数据、人口分布数据等）对研究区边界进行识别，然后进行集水区自动划分并提取属性数据，根据属性数据对参数进行设置。通过管网数据获得的参数有管道长度、集水区面积、管径、管道起点和终点及其埋深；根据高程数据通过计算获得的参数有检查井的地面高程、集水区的坡度等。根据研究区域的地面特征设定参数：管道粗糙率0.014；不透水区曼宁系数0.01；透水区曼宁系数0.1；透水区洼蓄量为0.05mm；不透水区洼蓄量为0.05mm。 3、模型的建立与运行

分析研究区域管网排水能力，主要选取检查井和管道的相关模拟结果。模型结果时间序列为2min读取一次，重现期为一年，持续时间按所选降雨的时间为40分钟，为7月28日19:30—21:10。 4、检查井分析

检查井产生积水，是由于管网中的排水负荷过大，有可能超过其最大排水能力，因此检查井中水深可以最为反映排水的一个指标。如图是检查井节点Yz402

与Yz401、Yz403之间的管段的在所监测的雨量大、降雨时间较短的一场雨中某一时刻检查井以及管网中的水深，从图中可以看出管网排水状况。 检查井Yz402处水深变化如下图：

检查井 Yz402 处最大水深发生时刻以及最大水深持续时间如下表：

研究区域共有个28检查井，每个检查井都有最大允许水深，超过最大允许水深时，雨水容易溢出，在不同暴雨强度下，可以得出每一检查井节点最大水深发生时间和持续时间。得出方法与检查井Yz402最大水深发生时间和持续时间计算方法相同。

排水管网分析

经过上面的检查井的分析，我们对排水管网的承载能力有了一定的了解，但是，并不能完全显示出其排水承载能力，还应该结合管网内水流状态进行补充，

然后才能较全面的分析。下面我们就四川大学排水管网体系27段主干管道的水流状态，利用 SWMM 模型进行分析。

管网的满流时间（满流时间是指管道中水流 在满流的状态下持续的时间）的长短，可以反映管网排水负荷能力的大小，满留的时间较长，说明在地面有可能造成较严重的积水，反映排水管网排水能力的不足，下表为在2012实际检测到的最大一场降雨管道满流时间分布区间表:

从表中可以看出，在本场降雨中，各个管段的满流时间都很短，最长的满流时间也只有14-16分钟，不足以造成地面的大量积水。

但同时我们也看到，满流时间大都集中在0-2分钟和12-14分钟，极不均匀，这说明管道的管径、坡度和汇水面积协调性不十分合理。

基于 SWMM 的改进方向

从上述对建环大楼雨水排水系统的模拟的过程可以看出，SWMM模型可以对城市雨水系统进行全过程的模拟，定量分析区域的排水能力，是区域排水分析计算的有效工具之一。同时，基于SWMM模型较为强大的排水系统模拟功能，该模型还可以用于城市排水系统规划方案的改进和评估，为城市排水系统的规划管理提供强有力的技术支持。

另外，与其他水文模型相比，SWMM仍存在许多不足：①对输入数据的要求较高，当难以获取实时数据和大量基础数据时，模拟很难进行；②所需参数较多，参数校准困难，参数的实测存在较大误差；③不能对暴雨径流挟带泥沙的运动进行准确模拟，也不能模拟污染物在地表和排水管道中运动时的生化反应过程，从而直接影响对径流中各种污染物浓度的估算；④仅能反映土地覆被类型面积比例的变化对地表径流和非点源污染的影响，而不能反映土地利用格局变化的影响；⑤输入格式单一，不能直接导入GIS或CAD格式的管网图。

鉴于此，对今后的研究提出一些主要的改进方向：①探讨在无资料情况下模拟城市地表径流污染负荷的途径和方法；②在不影响模拟结果准确度的情况下适当减少不敏感参数，并进一步探讨校准或实测参数的有效方法；③提高对暴雨径

流中泥沙和污染物的模拟能力，包括对地表侵蚀冲刷和管道中泥沙和污染物运动、 污染物与泥沙相互作用，以及污染物在地表和管道中生化反应过程的模拟；④发展城市地表径流污染负荷模型与GIS的耦合应用，从而实现模拟过程和结果的空间化，并有效减小图件输入的工作量。[4, 5]

参考文献：

[1]. 郭银利, 王振峰与张明华, GIS技术在暴雨管理模型建模中的应用. 浙江农业科学, 2014(03): 第396-399页.

[2]. 刘为, 基于GIS的城市暴雨积水模拟预测方法及应用研究, 2010, 中南大学. 第 52页.

[3]. Zhao, X., et al., The Study of Urban Rainstorm Waterlogging Scenario Simulation Based on GIS and SWMM Model -Take the Example of Kunming Dongfeng East Road Catchment Area. 2013 21ST INTERNATIONAL CONFERENCE ON GEOINFORMATICS (GEOINFORMATICS), 2013.

[4]. Sun, N., et al., Impact of SWMM Catchment Discretization: Case Study in Syracuse, New York. JOURNAL OF HYDROLOGIC ENGINEERING, 2014. 19(1): p. 223-234.

[5]. 陈晓燕等, 雨洪管理模型SWMM的原理、参数和应用. 中国给水排水, 2013(04): 第4-7页.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ntgo.html